Установлено, что определяющим фактором возникновения внезапных выдавливаний угля является изменение режима нагружения краевой части пласта породами кровли, которое охарактеризовано параметрами амплитудно-частотного спектра акустического сигнала, инициируемого в горном массиве. На основе изменения параметров акустического сигнала разработан прогноз опасности по внезапным выдавливаниям угля.
С увеличением глубины разработки угольных пластов в Донбассе возрастает уровень проявления внезапных выдавливаний угля по отношению к другим видам газодинамических явлений (ГДЯ). Повышению уровня способствовало широкое распространение, начиная с 70-х годов прошлого столетия, разработки крутых пластов широкими полосами по падению с помощью щитовых агрегатов, при которой в забое исключается сила тяжести нависающего угля, и внезапные выбросы угля и газа не реализуются в полной степени, а останавливаются на стадии внезапных выдавливаний угля. В период наибольшего применения щитовых агрегатов 75% всех происходящих ГДЯ квалифицировалось как внезапные выдавливания угля.
До настоящего времени внезапные выдавливания угля остаются наименее изученным видом ГДЯ по сравнению с внезапными выбросами угля и газа, горными ударами, внезапными обрушениями угля. В отраслевом стандарте СОУ 10.1.00174088.005–2004 [1], регламентирующем вопросы безопасной разработки пластов, склонных к внезапным выдавливаниям угля (вошедшем составной частью в единый документ по ГДЯ – СОУ 10.1.00174088.011–2005 [2] ), некоторые положения не отвечают современному научно-техническому уровню развития. Это относится в первую очередь к прогнозу опасности по внезапным выдавливаниям. В разработанном методе прогноза используются формальные характеристики спектра акустического сигнала, не имеющего под собой физического обоснования, что отражается на качестве прогноза.
Авторы поставили перед собой цель – охарактеризовать спектр акустического сигнала математическими функциями, имеющими физический смысл, и по их изменению в период, предшествующий внезапному выдавливанию, прогнозировать опасность возникновения этого вида ГДЯ.
Научной основой прогноза послужили следующие особенности проявления внезапных выдавливаний угля, установленные в результате проведенных МакНИИ исследований [3, 4].
Внезапное выдавливание инициируется на определенном расстоянии от забоя – в зоне максимума опорного давления. Согласно разработанной модели внезапное выдавливание является следствием перехода пласта на указанном участке в запредельное состояние. За счет расширения (дилатансии) пласта, сопровождающего это явление, происходит разрушение последнего в виде существенного его разрыхления и выдвижение (выдавливание) его в призабойное пространство с сохранением естественной структуры.
Причиной, вызывающей переход пласта в запредельное состояние, является изменение режима нагружения краевой части пласта, а именно – пригрузка ее породами кровли. Пригрузка происходит в результате упругого восстановления пород кровли или их расслоения.
Первый процесс характерен для очистных забоев, когда по достижении предельного пролета пород кровли происходит облом их консоли. При этом облому консоли предшествует расслоение пород.
Второй процесс реализуется в подготовительных выработках, в которых, как известно, в течение определенного промежутка времени наблюдается равновесие между породами кровли и угольным пластом (период т.н. «задержки деформаций»). При достижении предельного пролета происходит расслоение пород кровли, т.е. уменьшение их жесткости и вследствие этого – воздействие на пласт.
Рассмотренные процессы сопровождаются изменением напряженно-деформированного состояния горного массива. В породах кровли при этом происходит изменение положения ослабленных контактов относительно пласта и их интенсивности, а в призабойной части пласта – изменение величин параметров напряженно-деформированного состояния пласта: зон отжима и разгрузки, расстояния до максимума опорного давления, коэффициента выбросоопасности.